„Бисквитки“ на уебсайта на SKF

Ние използваме „бисквитки“, за да се уверим, че ви предлагаме най-доброто възможно изживяване по време на работата с нашите уеб сайтове и уеб приложения. При продължаване без промяна на настройките на вашия браузър ние приемаме, че давате съгласието си да получавате „бисквитки“. Въпреки това, можете да промените настройките за „бисквитки“ на браузъра си по всяко време.

Задвижване на Бъдещето - Доклад: Как Интернет на нещата ще революционизира промишленото производство

2015 Февруари 04, 08:50 CEST

АВТОРИ: Професор Detlef Zühlke, Д-р Dominic Gorecky и Stefanie Fischer, отдел Новаторски Заводски Системи в Немския Център за Научни Изследвания

Под натиска на глобализацията нашата индустрия ще премине през период на големи предизвикателства, включително по-кратък "жизнен" цикъл на продуктите, силно персонализирани продукти и ожесточена конкуренция от различни пазари по целия свят. Тези предизвикателства вече са очевидни в днешния пазар на мобилни телефони. "Жизнените" цикли на продуктите са намалели до около 6-9 месеца, докато функционалностите, а също и сложността на продуктите непрекъснато нарастват.

Сходно развитие протича понастоящем в други сектори, като например автомобилната промишленост. С усложняването на продуктите и по-ограничения "жизнен" цикъл на продукта, важността на подпомаганите от компютър технологии (CAX) продължава да расте по време на периода на оптимизация на ръста на производството и на ускоряването. При все, че напредъкът на CAX през последните десет години подобри гъвкавостта във фазите на дизайн и планиране, подобен пробив все още се очаква в настоящата производствена фаза. Висока променливост на продукт, съпоставена със скъсения "жизнен" цикъл на продукта изисква "пъргава" и гъвкава производствена структура, която може бързо да бъде повторно конфигурирана за нови нужди от продукти. Тази степен на гъвкавост не може да бъде постигната от традиционната автоматизация. Вместо това, модулните заводски структури, съставени от интелигентни устройства – така наричаните “Cyber-Physical Systems" - "Кибернетично-физически системи" (CPS) – които са част от мрежата “Internet of Things” - "Интернет на нещата", са ключови елементи в осъществяването на приспособими производствени сценарии, които могат както да представят, така и да се справят с настоящите предизвикателства.

През последните десет години станахме свидетели на преобразуване из основи на ежедневния ни живот, с навлизането и развитието на "Information and Communication Technologies" - "Информационни и комуникационни технологии" (ICT). Компютрите станаха толкова малки, че изглежда, че изчезнаха вътре в почти всички наши технически устройства. Отвъд всичко това, нещата общуват в световна мрежа: Интернет.


Когато размишляваме върху следването на този път в бъдещето, откриваме, че почти всички ежедневни неща ще станат интелигентни възли в рамките на световна мрежа. Този феномен е наречен “Internet of Things” - "Интернет на нещата" (IoT); тенденция, която почти сигурно ще намери своя път към промишленото производство. Силните предразсъдъци към електро-техническия и йерархичен свят на заводската автоматизация ще премине в интелигентни заводски мрежи, които все повече ще се възползват от напредъка на ICT и компютърните науки. В Германия започна усилен дебат относно четвъртата Индустриална Революция или, накратко, "Промишленост 4,0".

Интересът постоянно нараства след въвеждането на този термин през април 2011 от Kagermann/Lukas/Wahlster (2011 – Референция 1). По настояване на работна група, съставена от експерти от научните и бизнес общностите, беше разработена визия за Немската промишленост, която беше представена под формата на препоръки към федералното правителство. В резултат беше основана програма за научни изследвания с финансиране от приблизително 200 милиона Евро за следващите няколко години. Освен това, трите главни промишлени сдружения в Германия (VDMA, ZVEI и BitKom) обединиха сили, за да създадат споделена платформа за улесняване на координацията на всички дейности на Промишленост 4,0.

Тези действия допринесоха за обща истерия, която беше насърчавана главно чрез медийните канали. При все това обаче, също така съществува действителен интерес от страна на производствените промишлености за постигане на устойчив успех на тази визия. Германия е високотехнологична нация и генерира голяма част от брутния си вътрешен продукт (БВП) от производството на стоки, както и от необходимото производствено оборудване. Следващият раздел представя основните предизвикателства и промени, очаквани във визията на Промишленост 4,0.

Визията на Промишленост 4,0

Отличителна функция на новата технологична среда е преминаването към мехатронни системи. Електрониката ще бъде основна съставна част в бъдещите продукти, докато хардуерът ще бъде все повече стандартизиран. Главните функции, определящи функционалностите, ще бъдат създадени от софтуера. По този начин традиционните машинни елементи са преобразувани в мехатронни системи. Дадена функция може да бъде внедрена чрез механиката, електрониката или софтуера. Поради това, дизайнът и производството, както и обслужването, се нуждаят от интердисциплинарен екип, съчетаващ компетенции в механичното, електрическото и софтуерното инженерство с универсален инженер.

Интелигентни обекти 

Ключовата предпоставка за визията Промишленост 4,0 е “Internet of Things” - "Интернетът на нещата" (IoT). В тази визия всички заводски "обекти" ще имат уникален IP адрес и ще бъдат интегрирани в мрежата. Техническият термин, измислен за такъв обект, е "Cyber-Physical-System" - "Кибернетично-физическа система"(CPS) (2012 – Референция 2). Традиционната производствена йерархия ще бъде заменена от децентрализирана, самостоятелна организация, възможна благодарение на CPS в заводите на бъдещето. Отделите на завода и производствените процеси ще станат толкова независими и гъвкави, че дори най-малката по размер партида може да бъде произведена в условия на бърза промяна на произвеждания продукт и с произволен брой опции.

Комуникацията машина-с-машина позволява да бъдат подавани команди от индивидуалните машини, например за транспорт на суровина или за използване на специфична производствена услуга. Семантичната памет на продукта динамично контролира производствения му процес и поради това позволява децентрализирано масово производство на партида с размер "1".

Много от тези интелигентни елементи ще бъдат мобилни и свързани един към друг чрез безжични мрежи, което означава загуба на жизненоважни данни за позициониране, които безусловно се доставят до нас в "края на кабела" в старите жични системи (сравнение с Фигура 1). Това е особено важно в областта на заводските операции. Служител, който използва мобилно работно устройство, като например смартфон, повече няма да може да бъде намерен на точно определено място. Потребителят може да бъде някъде в работилницата, но също така може да бъде в кафенето. Приложението трябва да отчита настоящото положение на служителя, с цел дешифриране дали функцията понастоящем е поддържана или не. За разрешаване на тази дилема ще бъдат необходими не само вътрешни системи за местоположение със сходни с GPS функции, но и трябва да бъдат открити нови правила и методи за дизайн на чувствителни към контекста интерфейси човек-машина, които позволяват разделяне на понастоящем използваните хардуер и работен софтуер.

Фигура 1: Интелигентни обекти – Мобилни, модулни и децентрализирани.

Нови комуникационни архитектури

Днешните заводи следват строга, йерархична информационна структура. В горните равнища откриваме системата за планиране на ресурсите на предприятието (ERP), която е инсталирана над системите за управление на завода (MES и NC/PLC) и, на най-долното равнище, системите от датчици и включватели на завода, така наричаните полеви устройства. При все това, през последните години тези равнища са все повече се интегрират едно в друго; главната интеграция на система се извършва във водоравна посока, а не в отвесна. Мрежа от CPS неизбежно ще изисква нов подход към архитектурите. Обикновените структури с пирамидална форма, характеризиращи се със силна водоравна мрежа, както и със слаба отвесна комуникация, ще бъдат заменени от ориентирана по области структура на мрежата, която, по принцип, позволява произволен брой пътища из всички информационни слоеве на завода.

Изградените по принципите на IoT и CPS заводски системи ще направят днешните PLC системи излишни, тъй като всяко крайно устройство ще обменя данни с всяко друго, дори и ако е разположено на друго равнище. Спецификацията на логически процес (позната също като оркестрация) ще се осъществява в мрежата, не в специален управляващ елемент.

Нови програмни парадигми

Днес се променя програмното управление за по-голямата част от хардуерните структури, които обикновено се основават върху правила и стандарти, които са на 20 години или повече. В бъдещия свят на мрежови, самоорганизиращи се CPS, хардуерът и логическото управление трябва да бъдат строго разделени. По отношение на това вече съществуват множество парадигми. Например, ориентираните към услугата архитектури (SoA) или архитектурите с множество агенти (MAS).

И двата подхода запечатват юи правят функционалността на хардуера абстрактна и съдържат механизми за самоорганизиращи се системи. Още повече, вече съществува серия програмни модели, които позволяват спецификация на логическо управление или оркестрация. Въпреки това обаче, такива подходи изискват висока степен на познания в компютърните науки, което усложнява внедряването на ниво работилница от хора, които не са обучени в тази област на компетентност. В този смисъл миграцията на такива архитектурни парадигми от горното заводско равнище, където те вече са частично разпространени, през системите MES от средно ниво, е най-обещаващият път, което също така взема под внимание техническите заложби на засегнатия персонал.

В днешното планиране на производството и управление на процеси дизайнът на системата за управление идва в края на фазата на планиране, тъй като разчита на резултати от механичния и електрическия дизайни. Програмирането на логическото управление не започва докато терминалите за управление не бъдат избрани и не бъде решено как те да бъдат окабелени. Абстрактните идеи като SoA могат да бъдат полезни при разделянето на връзката с първоначалното внедряване на хардуера и за създаване на повторно използваеми софтуерни компоненти.

Необходимо е установяване на нов инженеринг на работния процес за осигуряване на изисквания подход за независимо, функционално и отгоре-надолу хардуерно планиране. Традиционните области на планиране трябва да бъдат по-тясно интегрирани, особено в ранните фази на планиране, с цел осигуряване на подравняване по-късно в процеса на планиране. Инженерните подходи към системите могат да помогнат за поддържане на междудисциплинарните задачи, както успешно беше демонстрирано в отрасъла на авиационните технологии.

Поради това създаването на прозрачно представяне е предизвикателство, дължащо се на сложността на планираните резултати и взаимовръзките сред свързаните дисциплини. Това ще изиска практически процедури за постигане на поетапна, основаваща се на модели инженерна стратегия, както и подходящите езици на моделиране, формати на данни и вериги инструменти.

Целта на бъдещите интелигентни заводи трябва да бъде отстраняването на медийното разделяне между средите CAX/PLM и действителния, работещ завод. Инструментът PLM изисква от процеса способността да генерира пълни описания на система, които могат да бъдат преобразувани пряко в изпълнителни услуги за управление. Тогава кодът трябва да позволява както симулация на виртуален завод, така и настройки и управление на действителния завод.

Стандарти

Както е описано в базовия модел, строгото отделяне на хардуера и функционалността може да бъде успешно само, ако се основава върху стандарти. Елемент CPS трябва да бъде изграден в сходен стил, най-малко по отношение на информационната технология, като части на конструктор LEGO. С други думи, елементът трябва да обменя данни въз основа на стандартите на всички равнища на модела ISO/OSI със 7-слоя. Най-малкото транспортните слоеве 1-4 вече разчитат на много установени стандарти, като различните стандарти IEEE 802.xx или Интернет Протокола IP; съответните стандарти за основаващите се върху приложенията слоеве 5-7 ще пристигнат само след масивен пазарен натиск. Очевидно е, че никой производител не е привлечен от идеята да преобразува продуктите си във взаимозаменяеми части от конструктор LEGO. Настоящият дебат за стандартен процес в областта на промишлените безжични мрежи (например ISA100) или езика за описание на спецификация на устройство (например FDT) показват както съпротива, така и конфликт на интереси. Най-малкото изглежда, че подходът за внедряване на OPC UA за слоеве 5-6 е обещаващ, така че все повече и повече производители и потребители ще са склонни да го приемат.

Сигурност

Отличителна черта на системите за управление на завода на бъдещето е употребата на основаващи се върху IP-мрежи на всички равнища. Това улеснява внасянето на данни от полево устройство в система ERP от по-високо ниво без никакви затруднения. Въпреки това обаче, това може да изложи завода на риск от дори още по-мощни кибернетични атаки, чрез използване на отворени протоколи. STUXNET и други зловредни софтуери (малуеър) правят абсолютно очевидно, че заплахата е истинска. Основаваща се върху CPS производствена среда може в крайна сметка да бъде внедрена успешно само, ако в рамките на бизнеса навлязат високи стандарти на сигурност и доверие в тази технология. Това изисква не просто технологични решения, но може би и по-важно, организационни мерки. Точен отговор на въпросите за сигурността ще бъде ключова тема през целия път и изисква предложения от промишлеността, научно-изследователската област и правителството.

На какво ще прилича непосредственото бъдеще?

Предсказано е, че тази версия на визията Промишленост 4,0 ще намери пътя си към бъдещите производствени среди в рамките на около 10 до 15 години. Относно всички въпроси, на които трябва да бъде отговорено и относно цялата научно-изследователска дейност, която трябва да бъде извършена, все още ще отнеме време, докато подобни цялостни производствени сценарии бъдат повсеместно внедрени и приети в промишленостите ни.

Следователно, първите елементи и първите обекти, подходящи за визията, ще изминат еволюционен път преди да намерят мястото си в практическа употреба. Наличността на информация с висока разделителна способност и намаляването на медийните пропуски представляват основата, която да позволи гъвкави, прозрачни работни среди. Вече предлаганите технологии авто-ID могат да спомогнат за проследяване на елементи и представянето им в цифровия свят. Мобилните устройства, като преносими компютри, таблети-PC или Смарт Очила осигуряват мигновен достъп до знанията на предприятието от почти навсякъде и от където и да било – в рамките на бизнеса и извън него. Следователно, решенията и действията могат да бъдат основани върху подробна и точна информация и реакциите ще последват по-бързо, подпомагани от интелигентни помощни системи, както е показано на фигура 2.

Фигура 2: Мобилни устройства и интелигентни помощни системи в непосредственото бъдеще на производството.

Технологичната инициатива SmartFactory - "Интелигентен завод"KL – като независима от производителя платформа за демонстрация и изследвания – вече направи огромна стъпка към визията Промишленост 4,0, разработвайки и разпространявайки решения, които позволява гъвкави производствени структури, отговарящи на настоящите промишлени предизвикателства. В рамките на мрежата си от повече от 30 промишлени партньори SmartFactoryKL изпробва и разработва новаторски технологии за информация и комуникации и тяхното приложение в реалистична, промишлена производствена среда. В рамките на най-новия проект беше разработена революционна производствена линия с обединените усилия с ключови промишлени партньори (вижте Фигура 3). Производствената линия е напълно модулна и позволява внедряване в стил "plug-and-play" на нови производствени модули. Функцията "plug-and-play" е постигната въз основа на комплект механични, електронни и информационни технически SmartFactoryKL и партньорите му.

Фигура 3: Демонстрационен завод за бъдещо производство в SmartFactoryKL .

Външен вид

Никоя технологична революция никога не е била започвана набързо. По-често сътресенията настъпват съответно за период от няколко десетилетия, в еволюционен преход, задвижван от напредък в множество технологични области (технологичен натиск), но също така и в резултат от търсенето на пазара (пазарно издърпване). Силно вероятно е настоящото движение към Промишленост 4,0 да има подобен еволюционен аспект, продължаващ няколко десетилетия. Положителна страна е, че Промишленост 4,0 осигурява ясна визия, към която успешно могат да се приспособят както производителят, така и крайният потребител. Научните прозрения на IT средата са тясно свързани към изискванията на производствената среда. Това изисква междудисциплинарното сътрудничество на традиционно разделените дисциплини.

Все пак обаче, човешките същества ще останат най-важният фактор в този процес на преход. Ако бъдат анализирани трите предходни революции става очевидно, че човешките нужди и стандарт на живот са били основната задвижваща сила зад промените. Когато тези изисквания срещнат точните гранични технологически условия, изглежда, че това води до плодотворни полета за новаторски промени. След третата Индустриална Революция, по-известна като Цифровата Революция, много новаторски технологии, както и политически промени повлияха върху начина, по който хората живеят един с друг. Характерни примери включват края на Студената война, отварянето на световните пазари – особено този на Китай – заедно с технологичния прогрес (например Интернет и многото Смарт устройства).

Хората не само имат важната роля на "двигател" на технологията, но също така и ролята на задвижван. Модерните ICT водят до силно ускоряване на всички бизнес процеси и това е така в световен мащаб. Оферти за доставяне на производствени заводи и услуги могат да бъдат изпратени по целия свят за секунди, като същевременно мигновено могат да бъдат сформирани световни синдикати за осигуряване на решения. По-ефективни и интегрирани логистични системи по земя, море и въздух могат да доставят стоки на клиенти за много по-кратки срокове. За успех в световната конкуренция, производствените системи се нуждаят от пъргавина и от способността за бърз транспорт. Това ще бъде възможно чрез напредъка на ICT. Хората ще трябва да планират, внедряват и работят дори още по-бързо в тази нова среда системи. Само тези нации от света, които своевременно се справят с приспособяването на обучението и образованието на гражданите си спрямо новите реалности ще имат успех в рамките на световния пазар.

Европа е в добро положение в това отношение. ЕС е сред световните водачи в областта на научно-изследователската дейност, касаеща вградените мрежови системи и дизайна на сложни, кибернетично-физически системи. Това представлява страхотна възможност за европейските промишлености да направят технологичен квантов скок и да овладеят предизвикателствата на световния пазар.

Библиография

1. Kagermann, H., Lukas, W., Wahlster, W. (2011 г.). Industrie 4,0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. industriellen Revolution, VDI-Nachrichten.
2. Geisberger, E., Broy, M. (2012 г.). Integrierte Forschungsagenda Cyber-Physical Systems, Acatech Studie, Берлин.
3. Zuehlke, D. (2010 г.). SmartFactory – Towards a Factory-of-Things, In: IFAC Annual Reviews in Control, Том 34, Издание 1, ISSN 1367-5788


[КРАЙ]


Проф. Д-р инж. Др. х.к. Detlef Zühlke

Detlef Zühlke е директор на отдела за Новаторски Заводски Системи в Немския Център за Научни Изследвания (DFKI-IFS) за изкуствен интелект в Кайзерслаутерн. Той също така е и инициатор и председател на изпълнителния борд на SmartFactoryKL и е председател на отдела за автоматизация на производството на университета в Кайзерслаутерн.

Д-р инж. Dominic Gorecky
Dominic Gorecky е старши научен сътрудник и заместник-ръководител на DFKI-IFS. В тази си роля, той е отговорен за научно управление и стратегическо координиране на катедрата.

Магистър Stefanie Fischer
Stefanie Fischer е изследовател и ръководител на комуникациите на SmartFactory. В тази си роля, тя работи по различни проекти и отговаря за маркетинга и комуникациите.

SKF logo